La Chiesa di San Pietro è il più antico edificio religioso della città di Grosseto. La chiesa si trova lungo Corso Carducci, la principale via del centro storico cittadino, nei pressi del crocevia che conduce verso le vicine chiese dei Bigi e di San Francesco.
La Chiesa di San Pietro fu edificata in epoca altomedievale come chiesa stazionale plebana lungo il tratto della Via Aurelia. L'antica via consolare romana attraversava, infatti, il centro cittadino, seguendo l'attuale percorso di Corso Carducci, che congiunge Piazza Dante a Porta Nuova.
La posizione della chiesa era all'estremità settentrionale del centro storico medievale e si trovava sullo stesso asse, alla cui estremità opposta meridionale sorgeva la perduta chiesa di San Giorgio. Inoltre, la distanza tra queste due chiese lungo la direttrice nord-sud era identica a quella che intercorreva tra la chiesa di San Michele e la chiesa di Santa Lucia, entrambe scomparse, lungo l'asse ovest-est.
Nel corso dei secoli la chiesa ha subito vari interventi di ristrutturazione che hanno in gran parte modificato l'aspetto originario; il campanile retrostante è stato costruito in epoca seicentesca, al posto di una preesistente torre campanaria o a completamento di un'opera rimasta incompiuta nel tempo.
L'aspetto attuale dell'edificio religioso è dovuto principalmente ai restauri effettuati nel corso del Settecento e durante il secolo successivo.
La Chiesa di San Pietro si caratterizza per l'abside in stile romanico dalla caratteristica forma semicircolare; le pareti esterne si presentano in pietra, ove sono ben visibili alcuni blocchi in travertino che spezzano a tratti il rivestimento primario. Il campanile seicentesco in laterizio si innalza a destra dell'area absidale, poggiando su un basamento in pietra di probabile epoca medievale; alla sommità della torre campanaria si eleva una piccola cupola.
Il fianchi laterali dell'edificio religioso sono occultati da una serie di palazzi e fabbricati che hanno quasi completamente inglobato l'antica chiesa.
La facciata presenta il portale preceduto da una coppia di scalini e affiancato da due lesene, culminanti entrambe con un capitello sommitale.
Sopra il portale, la facciata si presenta interamente intonacata e, nella parte centrale, si apre una bifora, spartita da una colonnina centrale provvista di pregevole capitello; in alto, un'ulteriore piccola apertura circolare precede l'arco a tutto sesto.
La parte sommitale della facciata è coronata da una serie di piccoli archi ciechi, che poggiano su mensole leggermente sporgenti verso l'esterno.
Di fianco alle lesene che delimitano il portale, sono presenti sulla facciata 4 bassorilievi (2 per ogni lato), databili tra il periodo bizantino e l'epoca altomedievale. Un bassorilievo raffigura elementi vegetali, su un altro è scolpita una figura umana, mentre gli altri due si caratterizzano per una serie di animali.
L'interno della chiesa si presenta a navata unica, con gli originari elementi stilistici romanici oramai perduti, a seguito di vari interventi di ristrutturazione che si sono susseguiti nel corso dei secoli.